Введение к работе
Актуальность работы. Диспергированные металлы, в виде гранул, стружки и порошков широко используются в различных отраслях промышленности в чистом виде или в смеси с неметаллическими порошками, из которых изготавливают изделия со специальными свойствами. Для исключения физико-химических превращений при переработке отходов исходного сырья во вторичное применяют элементную стружку, получаемую в результате механического измельчения отходов используемого материала. Измельчение резанием получило распространение для вязких и пластичных материалов (цинк, алюминий, медь, большая часть термопластов), поскольку позволяет перерабатывать такие материалы. Измельченный материал должен, прежде всего, представлять собой отдельные элементы стружки, обладающие заданными размерами, поскольку его неравномерный гранулометрический состав приводит к браку и ухудшению физико-механических свойств получаемого изделия. Широко применяемый в промышленности способ измельчения резанием не позволяет стабильно получать отделяемые элементы стружки требуемых размеров, вследствие усадки, неупорядоченного дробления и отсутствия возможности управления её размерами. Фрезерование, один из немногих видов обработки, при котором практически при любых режимах резания гарантированно получается элементная стружка, размеры которой можно прогнозировать. Однако, при измельчении фрезерованием значения режимов резания близки к режимам, используемым для чернового фрезерования. Кроме того известно, что длина контакта зуба фрезы с обрабатываемым материалом за один оборот, определяющая продольный размер профиля стружки в радиальной плоскости фрезы, зависит только от глубины резания и диаметра фрезы, а эти величины при измельчении составляют десятки и сотни миллиметров. По этой причине, получаемая на выходе стружка будет обладать хоть и стабильными, но относительно крупными размерами (порядка 5...20 миллиметров), также невозможно получать требуемые размеры элементов стружки и управлять этими размерами. Такая стружка не может быть использована в качестве вторичного сырья готового к применению в производстве. Учитывая необходимость переработки возрастающего количества твердых промышленных и бытовых отходов и отмеченные недостатки существующих способов измельчения, совершенствование процесса измельчения фрезерованием является актуальной задачей, которую можно решить
на основе принципиально новых подходов.
Данная работа выполнялась в рамках приоритетных направлений научно-исследовательской работы Высшей школы, разработанных Министерством образования и науки РФ по теме «Технология переработки промышленных и бытовых отходов» при финансовой поддержке РФФИ (проект №07-01-96-052) на 2007-2008 годы, по госбюджетной НИР (№ 01.19.08) проводимой ЮУрГУ по заданию Федерального агентства по образованию на 2008-2009 гг., при финансовой поддержке Всероссийской программы «Старт 07» (Госконтракт №4897р/7319) на 2007-2009 годы, также работа является обладателем гранта аспирантов и молодых ученых 2002 года губернатора Челябинской области.
Цель работы. Повышение эффективности обеспечения требуемых размеров срезаемых элементов стружки при вибрационном фрезеровании отходов металлов и пластмасс, посредством управления принудительными колебательными перемещениями инструмента.
Для достижения цели работы необходимо решить следующие задачи:
Разработать частную геометро-кинематическую модель процесса формообразования срезаемых элементов стружки при вибрационном фрезеровании, позволяющую управлять размерами этих элементов параметрами принудительных колебаний инструмента.
Используя разработанную модель и учитывая влияние механических свойств материала на параметры принудительных колебаний фрезы, определить условия и технологические параметры при которых стабильно обеспечивается получение элементов стружки с требуемыми размерами.
Экспериментально проверить теоретические зависимости и условия, при которых обеспечиваются требуемые размеры элементов стружки, с учетом влияния механических свойств материала.
На основе теоретических и экспериментальных исследований разработать методику проектирования операции вибрационного фрезерования отходов металлов и пластмасс.
5. Внедрить результаты исследований в производство и учебный процесс.
Достоверность полученных результатов подтверждается применением
традиционных подходов и непротиворечивостью существующим принципам теории резания, сходимостью теоретических и экспериментальных результатов, использованием при проведении экспериментов известных методик математической
статистики и аттестованных приборов, успешным внедрением результатов на производстве.
Научная новизна работы
Разработана частная геометро-кинематическая модель процесса формообразования срезаемых элементов стружки в виде уравнений траектории перемещения вершины зуба фрезы, совершающей помимо вращательного, колебательное перемещение в радиальном направлении в перерабатываемом материале. Это позволяет определить размеры получаемого профиля элементов стружки в зависимости от параметров колебаний инструмента
Установлены зависимости изменения амплитуды, фазы и частоты колебаний фрезы при их самовозбуждении, от механических свойств измельчаемого материала.
Определены условия, обеспечивающие гарантированное получение требуемых размеров элементов стружки, в виде амплитуды минимально необходимой для разделения стружки на элементы и амплитуды необходимой для получения мелкодисперсной стружки.
Установлена взаимосвязь размеров элементов стружки с технологическими параметрами процесса вибрационного фрезерования, в частности, с амплитудой и соотношением частоты колебаний и частоты вращения.
Лично автором разработана частная геометро-кинематическая модель формообразования профиля отделяемых элементов стружки при фрезеровании с принудительными колебаниями инструмента, определены условия, обеспечивающие гарантированное получение требуемых размеров элементов стружки; получена методика проектирования операции вибрационного измельчения фрезерованием; разработана конструкция экспериментальной установки для вибрационного фрезерования.
Отличием от результатов, полученных другими авторами, являются частная геометро-кинематическая модель процесса формообразования профиля отделяемых элементов стружки при фрезеровании с принудительными колебаниями инструмента и условия, в виде минимально необходимой амплитуды для разделения стружки на элементы обеспечивающей гарантированное получение требуемых размеров элементов стружки и амплитуды необходимой для получения мелкодисперсной стружки.
Теоретическое значение результатов исследований. Полученные результаты открывают возможность моделирования процессов формообразования элементов стружки, при работе инструментов совершающих принудительные колебательные перемещения.
Практическая ценность работы:
Разработаны инженерная методика и пакет прикладных программ, для компьютерного моделирования процесса вибрационного фрезерования и расчета размеров получаемых элементов стружки, что ускоряет выбор рациональных технологических параметров этого процесса.
Спроектировано, изготовлено и внедрено в производство новое оборудование для вибрационно-фрезерного измельчения бракованных деталей и отходов металлов с временным сопротивлением до 100...120 МПа, термопластов и реак-топластов с временным сопротивлением до 55 МПа, позволяющее гарантированно получать заданные размеры элементов стружки: для металлов - в диапазоне -0,04...1,5 мм; для термопластов и реактопластов - в диапазоне - 0,05...7 мм, при высокой производительности процесса. Данное оборудование внедрено на пяти машиностроительных предприятиях Челябинской области.
На защиту выносятся:
Механизм принудительного вибрационного фрезерования и математические зависимости отражающие условия управляемого формообразования, обеспечивающие стабильное получение требуемых размеров отделяемого элемента стружки.
Зависимость параметров принудительных колебаний фрезы от механических свойств перерабатываемых материалов.
Инженерная методика и расчет параметров технологической операции вибрационного фрезерования отходов металлов и пластмасс.
Новое устройство для измельчения отходов металлов и пластмасс до требуемых размеров элементов стружки.
Реализация результатов работы. Практическое применение разработок позволяет на этапе технологической подготовки процесса переработки отходов задавать требуемые размеры срезаемых элементов и управлять ими непосредственно в производственных условиях. По результатам теоретических и экспериментальных исследований разработано оборудование для измельчения фрезерованием материалов: металлов с временным сопротивлением до 100...120 МПа, термо-
и реактопластов с временным сопротивлением до 55 МПа. Результаты экспериментов и производственных испытаний вибрационного измельчения материалов фрезерованием подтвердили теоретические выводы о работоспособности данного метода и показали стабильность обеспечения размеров измельченного материала. Новое оборудование в сравнении с существующим, обладая не меньшей производительностью и долговечностью, позволяет получить вторичное сырье с более равномерным гранулометрическим составом. Материалы исследований внедрены в учебный процесс подготовки инженеров по специальностям 151001 и 220301 в дисциплинах «Металлорежущие станки», «Технологические процессы в машиностроении». Внедрение разработанного вибрационно-фрезерного станка на ОАО «Златоустовский часовой завод» г. Златоуст, на ООО «ПРЕСС» г. Златоуст, в НІЖ "ФИБРОЛИТ" г. Сатка и модернизация существующего оборудования на ОАО «Катав-Ивановский приборостроительный завод», на ОАО «АГРЕГАТ» г. Сим, обеспечило требуемую размерную точность срезаемых элементов стружки, увеличив содержание годного гранулята с 10...30% (по существовавшей технологии) до 60...95% и снижение количества бракованных изделий, получаемых из вторсырья с 3,5...6% до 0,4...0,7%. Экономический эффект от внедрения новой технологии и оборудования по сравнению с существующими составил 1,2 млн. руб.
Результаты диссертационного исследования могут быть использованы при разработке технологических процессов переработки отходов металлов, композиционных материалов и пластмасс.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных конференциях «Аэрокосмическая техника и высокие технологии», г. Пермь, ПГТУ, в 2000 г.; «Проблемы механики современных машин», г.Улан-Удэ, ВСГТУ, в 2000 г.; «Автоматизация и информатизация в машиностроении», г. Тула, ТулГТУ, в 2000 г.; «Сне-жинск и наука», г. Снежинск, СФТИ, в 2000 г.; «Механизмы и машины ударного, периодического и вибрационного действия», г. Орёл, ОрёлГТУ, в 2000 г.; «Вибрационные машины и технологии», г. Курск, КурскГТУ, в 2001, 2003 гг.; «Машиностроение и металлообработка», Кировоград (Украина), КГТУ, в 2003 г.; Курган, в 2005 г.; ЮУрГУ, г.Челябинск, в 2008 г., «Безопасность критичных инфраструктур и территорий», УрОРАН, г.Екатеринбург, в 2008 г.
Публикации по теме диссертационной работы. Опубликовано 23 работы, в
том числе 3 в журнале из перечня ВАК, 3 патента на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация, объемом 165 страницы основного текста, 89 рисунков, 4 таблиц, состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка из 119 наименований и приложения с актами внедрения.
